中國粉體網(wǎng)訊  2022年11月17日，東京理科大學(xué)宣布，由該大學(xué)工程研究生院領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種基于鋯（Zr）和鈦（Ti）合金的碳纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷復(fù)合材料（C/UHTCMC），經(jīng)表征后，確認(rèn)其可承受2000°C以上的超高溫。該研究成果于2022年10月27日在線刊登在國際學(xué)術(shù)雜志《Journalof Materials Science》上。

研究背景

碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料（C/C復(fù)合材料）作為輕質(zhì)、耐熱材料，一直用于航天飛機(jī)和超音速飛機(jī)的部件。 然而，在高溫環(huán)境下，抗氧化性低，應(yīng)用有限是一個(gè)挑戰(zhàn)。 超高溫陶瓷 （UHTC） 和碳化硅復(fù)合材料 （ZrB）₂-SiC、ZrC-SiC、ZrB₂-ZrC-SiC 等）在 1700°C 或更高的高溫下具有優(yōu)異的抗氧化性和耐熱性。 然而，基于含硅化合物的復(fù)合材料在超高溫環(huán)境下由于共晶的形成和含有硅的化合物本身的氧化而顯著惡化。

因此，研究小組一直在研究這種新材料，即使在超高溫環(huán)境中也不會(huì)變質(zhì)，其目的在于評(píng)估其實(shí)用性，并專注于以Zr和Ti為主要成分的C/UHTCMC。 然后，對(duì)不同合金成分生產(chǎn)的三種C/UHTCMCs進(jìn)行了電弧風(fēng)洞試驗(yàn)、表面分析和熱力學(xué)分析，并對(duì)其進(jìn)行了表征。

電弧風(fēng)洞試驗(yàn)

研究結(jié)果

通過熔融浸漬法合成了三種C/UHTCMCs（Z20、Z36、Z80），在三個(gè)不同的條件下進(jìn)行電弧風(fēng)洞測試。結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合材料中Zr含量增加時(shí)，電弧風(fēng)洞試驗(yàn)后材料厚度增加，表面形成的氧化物的熔點(diǎn)也隨之增加。 研究還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料表面產(chǎn)生的液相流向外表面，進(jìn)一步促進(jìn)了復(fù)合材料的氧化。 此外，由于含有大量Zr的碳化物的氧化在熱力學(xué)上優(yōu)先于含有大量Ti的碳化物，因此，在任何溫度條件下，復(fù)合材料的降解都會(huì)得到抑制。

然后，通過表面分析和熱力學(xué)分析對(duì)材料表面形成的氧化物進(jìn)行了評(píng)價(jià)。材料表面形成的Ti和Zr氧化物主要為TiO₂固體溶液，ZrTiO₄固體溶液，ZrO₂固體溶液，并表明這些可以抑制復(fù)合材料的進(jìn)一步氧化。 特別是，在Z80中，ZrO高達(dá)2000°C₂在保持固體溶液和液相的同時(shí)，在2600°C以上時(shí)，表面僅形成液相，表面氧化物消失。

結(jié)果表明，Z80在超高溫環(huán)境下減少量小，抗氧化性強(qiáng)，最適合耐熱材料。

關(guān)于本研究的結(jié)果，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的伊努埃教授說：“我們從事陶瓷及其復(fù)合材料的研究，近年來，我們收到了多家重工制造商關(guān)于能夠承受2000°C以上超高溫的材料的咨詢，我們開始從事這項(xiàng)研究。 如果這些材料能夠?qū)嶋H使用，超高速客機(jī)將實(shí)現(xiàn)，我們的生活將更加豐富。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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